硅酸盐水泥的性能及其应用(一)
2006-06-14 00:00
硅酸盐水泥国外称波特兰水泥，它是性能最好、应用最为普遍的水硬性胶凝材料，近几年，不论是国内还是国外水泥市场都对它提出了更高要求。一方面要求水泥性能优良、稳定，具有多样性，能满足不同用户的各种个性要求，以确保混凝土具有良好的质量和足够的耐久性；另一方面，从环保角度考虑要尽可能多地利用劣质原料和废料，最大限度地减少有用资源和能源消耗、降低CO2 排放量，为全球治理温室效应做贡献。这两方面要求在某种程度上又是相互矛盾的。我国水泥工业也是如此，也有一些较为突出的矛盾，如水泥性能如何与混凝土耐久性联系起来，如何正确选用各类水泥，在利用废料开发新水泥品种时如何评价水泥性能及适用范围等等。本文想就这些问题结合欧洲国家的相关情况谈些个人看法，以供参考。因为讲的是国外情况，本文通称波特兰水泥。
1 欧洲水泥标准更多地考虑了方便水泥使用
2001年1月23日欧盟标准化委员会公布了第一个统一的欧洲水泥标准EN197—1：2000， 自当年4月1日起生效。这个标准将水泥从大的方面分为两类，即普通水泥和特性水泥。普通水泥的外文名称规定为：英文Common cement，德文Normal zement，法文Ciment courant。普通水泥是指硬化过程主要取决于硅酸钙水化反应的水泥，它涵盖了各成员国已列入本国标准的传统水泥。特性水泥包括具有特殊性能的普通水泥和具有其它硬化机理的水泥，本文不作介绍。
这个标准的一个显著特点是对目前欧洲各国所使用的普通水泥作了最大限度的简化和统一，这样不仅有利于通商，更主要的是方便了生产与使用问的信息交流，方便于用户，更有利于建立一般通用的水泥使用规则，使用户有章可循。
1．1 水泥品种的划分更加统一、严谨和细化
EN197—1标准将欧洲国家现在常用的普通水泥划分为5大类，27个品种，统一冠以CEM标志，依次为波特兰水泥CEM I、复合波特兰水泥CEM II、高炉水泥CEMⅢ 、火山灰水泥CEM 1V和复合水泥CEMV，这种划分归纳起来有以下几个特点：
1） 将“波特兰水泥”的组成作了限定。非熟料主要组分（我国称为混合材部分）含量≤35%的冠以“波特兰”名称，即CEM I和CEMlI。这样可以确保称为“波特兰水泥”的水泥中有足够的熟料含量，或者说有足够的硅酸钙矿物含量（≥40%），这个限定较过去放宽了。
2） 对CEM II类水泥又作了细化。这类水泥在欧洲市场上占主导地位，1996年就占51．2%，进入21世纪早已超过60%，所占比例较高的意大利2003年达77．0% 。在德国以波特兰水泥为主，CEM II类水泥1996年仅占10% ，到2000年上升为24% ，2004年超过40%。以前欧洲国家对非熟料主要组分的允许含量很不规范，掺量上下限差值划分过宽又不一致，对用户不利。如以前的铁波特兰水泥中矿渣含量6%~35% ；凝灰岩水泥中凝灰岩含量20%～40%；粉煤灰水泥中粉煤灰含量≤30%；页岩水泥中页岩含量20%~30%。后3种水泥又都不冠以波特兰称号。现在的CEMⅡ类复合波特兰水泥允许含有35%的粒化高炉矿渣（S）、天然火山灰（P）、经热处理的天然火山灰（Q）、硅质粉煤灰（V）、钙质粉煤灰（w）、煅烧页岩（T）、高有机碳含量（TOC≤0．50%）石灰石（L）、低有机碳含量（TOC≤0．20%）石灰石（LL）和硅灰（D），同时划分为A和B级。非熟料主要组分含量在6%~20%的为A级；在21%~35%的为B级，上下限差值都为15%，只有硅灰的掺量限在6%～10%以内。对CEM II类水泥来说，比过去放宽了；对A和B级的划分，即非熟料主要组分含量范围来说又比过去严格了。随着废料利用范围的扩大，CEM II类水泥还会有很大发
展，这种细化和规范就显得尤为重要。
3） 高炉水泥的矿渣含量细化了。过去高炉水泥矿渣含量36%～80% ，上下限差值为45% ；矿渣含量达95%的称石膏矿渣水泥，现在统称为高炉水泥CEMⅢ ，并按矿渣含量分为3级：A级36%～65% ，B级66%～80%，C级81%～95% ，上下限差值分别为30% 、15%和15%，比以前细化了。
4） 对含2种以上非熟料主要组分的水泥又作了细分。总含量在35%以下的称“复合波特兰水泥”CEMⅡ／A（B）一M，组分种类可不受限制，总含量36%～80%的称复合水泥，没有“波特兰”称号，但其中必须是矿渣与硅灰（D）、火山灰（P、Q）和硅质粉煤灰（V）复合，不包括钙质粉煤灰（W）。总含量36%～60%的为A级，62%-80%的为B级。
5） 水泥标识一目了然。新标准中规定水泥标识应显示水泥类别、品种、非熟料主要组分品种、含量等级、强度等级和早期活性（是否早强型），如掺矿渣、粉煤灰和石灰石的复合波特兰水泥，标识为CEMⅡ／A—M（S—V—L）32．5R，掺矿渣和粉煤灰的复合水泥标识为CEMV／A（S—V）32．5N，见表1。
我国有关文献曾报道某大型预分解窑厂生产的P·II42．5R型水泥，本文暂命名为G水泥，文中提到此水泥用于大体积混凝土工程、机场、道路、管桩制品、高标号混凝土工程及预拌混凝土都具有性能优势。G水泥性能列于表9。本文不想深入研究G水泥的特征，只想以此为例说明一下中德两国在某些观念上的差异。按德国人的观点，G水泥不适用于大体积混凝土、机场跑道和公路路面。用于混凝土预制品的水泥和用于现场浇注的水泥不应是同一类型水泥，因为前者要求早期强度高、脱模快，后者必须控制早期强度和发热量，防止混凝土过分开裂，因此前面对G水泥性能的一段描述是相互矛盾的。
5）应更加突出各强度等级水泥性能特色，根据我国的气候条件、使用习惯、技术水平等提出各级水泥的适用领域，德国在大部分现浇混凝土中尤其夏季施工不使用高标号水泥的做法也值得我们思考（未完待续）。
水泥品种的这种划分更加体现了对水泥应用性能、水泥市场和水泥用户需求的重视。用户更想知道的不仅是水泥品种，而是水泥的使用性能，是这种水泥对自己所需配制的特定混凝土是否适用。为此欧盟又按EN197—1水泥标准制定了一系列水泥使用规则和参考指标，例如表2是这5类水泥的一般使用规则，从中可以看出，在室外、水利工程建筑、受化学侵蚀和无冰冻的磨蚀环境中可以使用A级石灰石波特兰水泥，不能用B级；室内或水下工程可以用A级复合波特兰水泥和钙质粉煤灰波特兰水泥，不能用B级这两种水泥等。既受冰冻又受融冰盐侵蚀的环境不能使用含火山灰和粉煤灰的水泥。火山灰水泥和复合水泥基本上只能用在不受侵蚀的素混凝土上。但对含2种以上非熟料主要组分的CEMⅡ一M类水泥以及CEMIV和CEM V类水泥，若非熟料主要组分搭配适当，使用范围还可放宽，表3即为对指定主要组分搭配的这3类水泥使用范围的应用准则，与表2对照又有许多放宽。如在室外和水利工程、海洋构筑物、受化学侵蚀和受磨蚀的环境，复合波特兰水泥一般是不准使用的，若按表3的搭配则A级和某些B级可以使用。含天然火山灰的CEMIV和CEMV类水泥，使用范围也可以扩大到室内外、水利工程、受化学侵蚀和受磨蚀等环境。这些规定对用户选择和使用水泥非常有利，当然对Ⅱ～V类水泥的适用范围还在不断研究和扩大，有些现有标准是禁止的，还可以制定些临时条例加以修订，但需获得有关建筑部门和项目委托方的同意。
现在一些混凝土搅拌站常用粉煤灰或硅灰取代部分水泥，对此德国也作了规定，不是使用任何品种水泥都可这样做，对取代数量和使用环境条件等都作了限定，如表4所示。除CEM I类水泥外，只有含矿渣、页岩和LL级石灰石水泥才允许使用较大量的粉煤灰，而且石灰石含量应≤20%（A级），矿渣含量≤70%。允许使用硅灰的水泥品种扩大到含天然火山灰的、含硅质粉煤灰的A级Ⅱ类水泥，矿渣含量扩大到80%。粉煤灰和硅灰最高代用量分别为水泥用量的0．33和0．11。若使用含火山灰和粉煤灰的水泥，则粉煤灰的最高代用量降为≤0．25C，但只能使用A级复合水泥又不能用于XF3环境。使用含硅灰的水泥，最高代用量降至≤0．15C。
从以上几方面的介绍可以看出，对水泥的这种新的分类使水泥品种、性能与使用的联系更加紧密了，尤其更加体现为用户服务的理念。
1．2 抗压强度指标的统一
所有品种普通水泥的抗压强度等级都分为6级，各级的强度值也都相同，如表5所示。这样不论是什么品种的普通水泥，只要强度等级相同便有相近的早期和后期强度以及发热量，混凝土的有关性能也可以估计出来。表6列出了不同强度等级水泥各龄期发热量的参考值，同时也反映出各级水泥的强度增长情况，因为水泥强度与水泥水化率和发热量有一定相关性。表7列出了各水泥强度等级的混凝土强度增进率参考值，这种强度尤其是早期强度的统一非常方便用户了解水泥强度性能及预示配制混凝土的效果，便于更好地选用水泥。
统一各种水泥的早期强度指标对建筑施工有利，欧洲水泥市场有这样要求，实际投入市场的水泥也基本达到了这一要求。如图l列出了2000年德国所产32．5R级CEM I和CEM lI类水泥的抗压强度平均值。德国水泥市场要求32．5级水泥的2d抗压强度较低的也要在l7～23MPa之问，28d抗压强度在44～48MPa之间。从图1可以看出，几种常用的CEM lI类水泥，早后期强度都与CEM I类水泥的强度相近，也都在市场要求的范围内。
2 32．5强度等级水泥的性能与应用
国内一般总认为32．5级水泥不好，重点工程不宦使用，由小型水泥厂或立窑厂来生产。欧洲市场则不然，32．5级水泥一直占主导地位，例如2000年德国国内市场销售的水泥中32．5级占60．1% ， 意大利2003年32．5级水泥占52．8% ，2001年欧洲市售水泥中32．5级约占70%。图2为德国2000年度国内市场销售水泥类别和强度等级分布。从图2还可以看出，德国仍以CEM I类波特兰水泥为主，占61．7% ，但已呈下降趋势（1996年还占76% ，2004年降至约50%）
2．1 32．5级水泥的应用领域
表8为德国2000年度在各建筑领域所用水泥种类的分布情况。建筑领域按地面建筑、住宅和工商业房屋建筑、土木工程和地下与水利工程、交通地面和其它5类划分。用于混凝土预制构件和制品的水泥量约占33% ，到2003年降至31%左右，主要是42．5和52．5级水泥。在现浇混凝土中80%以上为预拌混凝土，主要用于一般房屋建筑，包括住宅建筑和工商业房屋建筑，所用水泥量约占50%。这里仅重点讲一下32．5级水泥的使用情况。从表8中可以看到，大体积素混凝土、道路和机场地面只使用32．5N／R级水泥，房屋建筑中也绝大部分（90%以上）使用32．5级水泥。32．5N级水泥主要为矿渣含量高的高炉水泥（CEMIII），用于大体积混凝土构筑物，CEM I和CEM 1I类多为32．5R型水泥，用在一般的现浇混凝土中。德国水泥研究所在2005年发表的一份研究报告中写到：“目前在德国生产的32．5强度等级含多种主要组分水泥能够满足一般房屋建筑用现浇混凝土的各种主要要求，包括预拌混凝土和现场拌制混凝土。这些水泥在使用普通混凝土制备工艺时能以足够的速度产生强度，使所配制的混凝土具有足够的抗碳化和抗氯化物侵蚀能力，以防混凝土中的钢筋因此锈蚀，也能使混凝土在当地气候条件下具有足够的抗冻性。一般房屋建筑包括住宅建筑和工商业用的高层建筑。在某些土木工程如桥梁和隧道建筑用的现浇混凝土中通常使用较高强度等级水泥，且绝大部分为CEM I类波特兰水泥，现在也逐渐增加了CEMⅡ和CEM11I类水泥的应用”。以上这一段叙述表达了德国人对32．5级水泥的看法，也许这就是多年来在德国以及欧洲水泥市场上32．5级水泥一直占主导地位的原因。
2．2 2个应用实例
为了进一步说明德国对32．5级水泥的重视，下面介绍2个实例：
2．2．1 A4号高速公路的混凝土路面
2000年前后德国修建了一条贯穿鲁尔和莱比锡等工业区的东西大通道——A4号6车道高速公路。一般地段的道路结构为底部垫层厚30cm，混凝土面层厚30cm，使用CEM I 32．5R型波特兰水泥。 昆凝土路面有的分2层结构，下层厚25cm，水泥用量为350kg／m 3，水／灰比0．43，混凝土28d强度为：20cm立方试体抗压强度45MPa，70cm*l5cm*l0cm试体抗折强度6．0MPa。上层混凝土厚5cm，使用同样水泥，水泥用量增至430kg／m 3，水／灰比0．43，28d抗压强度为47MPa，抗折强度为7．2MPa。所用水泥除符合EN197一l标准要求外，还必须满足交通路面建筑标准规范中“道路建筑通函”18／1998（ARS18／1998）的有关规定，其中有：水泥勃氏比表面积≤3020cm2／g，标准稠度用水量≤27．0% ，初凝时间≥145min，2d抗压强度≤23．1MPa，总碱含量Na2 O当量≤0．84% ，水泥用量≥350kg／m3 。
德国认为高负荷的地面如高速公路、机场跑道、工业地面等，从耐久性、经济性和环保方面考虑，采用混凝土的是最佳方案，其中对道路结构、材料性能及施工方法等的要求与规范一直在不断修改和完善，例如最近又将使用CEM I和CEMⅡ／A类水泥时的总碱含量降为Na2O当量≤0．80%。
2．2．2 斯图加特机场起降跑道
1996年斯图加特市机场起降跑道建设采用混凝土路面，混凝土层厚40cm，承载层厚15cm，防冻层厚≥55cm。一般气候条件使用CEM I 32．5R型水泥，气温低时使用CEM I 42．5R型水泥。混凝土路面为单层结构时水泥用量为370kg／m3 ，水／灰比0．42，60d抗压强度56MPa，28d抗折强度7．1MPa。双层结构时（上层厚10 cm，下层厚30cm）水泥用量为360kg／m3 ，水／灰比0．42，60d抗压强度55MPa，28d抗折强度下层6．5 MPa，上层7．7MPa，所用水泥性能也符合一般混凝土路面用水泥的要求，这里为防止路面产生微裂纹和贯穿性裂缝，采取了一系列后期养护措施。
首先是在新浇注的混凝土跑道上面搭盖一个15m宽120m长横跨跑道的移动式帐篷，帐篷长度要与混凝土浇注速度相匹配，确保在水泥凝结之前不受阵雨损害，避开太阳直射和夏日的过度升温，防止由于风吹引起的表面过早干燥和防止过快冷却。
第二步是在跑道表面喷洒1d阻隔系数（S1）足够高的养护剂，阻止水分蒸发。这种路面混凝土抗收缩裂纹能力弱，机场气候条件较差，风大、干燥，由试验室在30℃温度、50%空气相对湿度和5m／s的平均风速下作试验（有风影响阻隔系数约降低10%），由此得出养护剂的适宜喷洒量为150—180g／m2 ，ld的阻隔系数可保证达到85%以上，阻隔效果约达60%。根据当地条件，只要阻隔系数达到75%，试验室试体的早期收缩量即可<1．0mm/m，进入无早期收缩裂纹出现概率范围，确保混凝土不出现早期收缩裂纹。
由养护剂形成的养护膜有时还不能完全避免混凝土表面因受急冷而出现收缩裂纹，如酷热的夏天突然下一场骤雨，遇这种情况要在跑道上覆盖保温的遮盖物。为了增强养护剂的作用，在较为不利的气候条件下还要增加数天湿养护，用农业喷灌的方式往跑道上喷水，所用的喷洒水事先要在太阳照射下晒热，以防混凝土因受急冷而产生温度应力裂纹。
举以上2个实例是想说明以下问题：
1） 32．5级水泥能够用在受应力较大的工程上。
2） 32．5级水泥的用途很广，尤其现浇混凝土更是以此作为主要的适用胶凝材料，在一般32．5级水泥中对一些特定情况还应有相应的性能要求，如例1中的道路用水泥ARS 18／1998较ARS 19／1995对水泥细度、用水量、初凝时间、2d抗压强度、总碱含量和最低水泥用量都更加严格了。要使水泥真正符合市场要求，就要在不改变类别和品种的前提下，调整相应的水泥性能，满足个性用户的特定需要。
3） 例2是想说明除改善水泥性能外还应重视混凝土后期养护，当然文中是一个特例，一般不需要这样复杂。但重视后期养护的观念还是不容忽视的，它也属正确使用水泥的一个组成部分，尤其对混凝土凝结之前尚处湿浆状态的养护和硬化初期尚处初生态的养护对防止早期收缩裂纹十分重要，不容忽视。
另外，德国在执行新混凝土标准中发现，在某些暴露等级如XD2、XS2、XF2、XF3、XD3、XS3和XA2的大体积混凝土上使用32．5R级水泥达不到规定的最低强度（C35／45）要求，施工部门不得不提高水泥标号或降低水／灰比，由此常引起混凝土早期发热高，出现裂纹。对此采取的措施是于2005年5月修改了相关规范，将最低强度要求降低1级（C30／37），在某些情况下提高水／灰比限值，降低最低水泥含量指标，以使施工部门仍能使用32．5级水泥和多使用可计人胶凝材料的掺合料，确保混凝土能有适宜的可加工性、较好的质量和耐久性。这个做法也反映出德国在现浇混凝土上多使用32．0级水泥和更加重视防止混凝土出现裂纹的基本观念。
2．3 对我国某些水泥性能的浅析
用G水泥的发热量与表6中的参考值对照，则G水泥相当于德国的32．5R和42．5N级水泥，尚未达到42．5R级水平。德国1998年公布了82个市售CEM I 42．5R级水泥强度平均值，2d为31MPa，28d为58MPa。德国在评价混凝土早期强度增进速度时采用立方试体2d抗压强度与28d抗压强度比值作为评价指标，2d／28d>10．50为快，>10．30至<0．50为中等，≥0．15至<0．30为慢，≤0．15为极慢。若借用此方法则德国的CEM I 42．5R水泥2d／28d为0．53。对比G水泥，若按1．1—1．2的换算系数将3d强度换算为2d强度，约为25．5—27．8MPa，2d／28d为0．45—0．49，对照表10列出的数据，G水泥的早期强度和早期强度增进速度都低于德国CEM I 42．5R水泥的平均水平，与矿渣掺量平均为10%的CEMII／A—S 42．5R水泥相当，高于CEM I 42．5N级水泥，2d／28d比值只处在中等水平上。再从水泥颗粒分布上比较如表11所示，德国CEMI 32．5R和CEM I 42．5R水泥数据是1995年报道几个测值的平均值，用<32µm有效粉含量和>64µm的粗粉含量比较，G水泥也介于德国32．5R型和42．5R型之间。
我国另一家水泥厂生产的P·032．5水泥，3d抗压强度一般可达22～27MPa，28d抗压强度一半左右超过52．5MPa，最高达60．8MPa，查看12个检测结果平均值，一组为52．64MPa，一组为56．7MPa。德国Riidersdorf水泥厂5 000t／d预分解窑1998年生产的CEM I 32．5R型水泥，抗压强度2d为32MPa，7d为42MPa，28d为51MPa，2d／28d为0．63。德国1998年检测12个市售CEM II／A—S32．5R型水泥样，平均值为矿渣掺加量15% ，勃氏比表面积310m2/kg，抗压强度2d为22MPa，28d为48MPa。从这个对比可以看出：
1） 我国的这个水泥早后期强度都很高，很受市场欢迎，但是后期强度太高，超过52．5MPa，虽然我国标准没规定强度上限，但28d强度太高也有许多不利，欧洲国家有过教训，所以在其标准中规定了上限。因为不然会助长无序竞争；施工单位会因水泥强度高而多掺矿物掺料，一旦水泥质量有波动或掺料量控制不准就会严重损害混凝土质量；影响混凝土性能和材料组配的合理设计。这种水泥作为32．5级用于大体积混凝土或道路建筑上是否合适也存在问题。
2） 德国CEM I 32．5R型水泥，2d强度很高但28d强度仍在规定极限以内，这种水泥很适合低温下施工的现浇混凝土，它仍是32．5级水泥。德国CEM II／A—S 32．5R型水泥与我国的该例水泥相同，混合材掺量都≤15%，早期强度也基本相等，但28d强度没有超标。这2个德国水泥实例说明他们对水泥熟料及水泥的早期活性控制得比较好，既提高了早期强度，后期强度还不超标。我国生产的P·032．5级水泥要做到这点一般厂还有困难，提高了早期强度，后期强度便会“超标”。
通过以上对德国32．5级水泥应用情况的介绍和与我国水泥性能的对比可以归纳出以下几点：
1） 德国的32．5级水泥质量较好，这也是其销售量一直占主导地位的原因之一。
2） 德国各强度等级水泥性能特色比较鲜明，适用领域划分清楚，如32．5N级用于大体积混凝土，32．5R级包括部分42．5N／R级用于道路、房屋建筑，42．5R级及以上主要用于混凝土预制构件和制品及高标号混凝土工程。
3）对特定项目制定相应的水泥性能要求，以确保混凝土工程质量，使水泥的选用真正做到“量体裁衣”。
4）我国应该提高对32．5级水泥的质量控制，使它更加适应一般混凝土工程需要，32．5级水泥掺加的混合材量比较大，品种杂，提高这一级水泥质量更有利于扩大它的使用范围和提高废料利用率，有利于提高混凝土耐久性，有利于对生态环境的保护。
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